CN114166877B - 一种基于xrd微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，涉及煤吸附甲烷能力研究技术领域。首先，采集煤样品并通过热模拟实验改变样品的煤化程度；然后，通过XRD衍射测试分析得出不同煤化程度的煤芳香层间距、芳香层延展度、芳香层堆砌度、芳香片层数以及石墨化度的微晶结构特征参数；最后，比较不同煤样微晶结构参数值与甲烷吸附能力相关性的高低，从大分子层面对煤样吸附甲烷的性能进行综合分析与评价。本发明通过构建微晶结构参数与甲烷吸附性能的相关性线性方程，确定煤微晶结构特征参数对甲烷吸附性能的影响情况，为煤层气勘探开发及矿井瓦斯治理提供了技术支持。

Description

一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法
技术领域
本发明涉及煤吸附甲烷能力研究技术领域，具体涉及一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法。
背景技术
大量的煤层气赋存在煤层中，主要以物理吸附的方式。煤中甲烷吸附的实质是甲烷分子与煤大分子之间的相互作用，随着煤层开采深度的逐步加深，地温和压力的不断增加，煤分子结构也发生明显的变化，使得煤中甲烷吸附含量也发生变化。
目前一些研究认为随着煤微晶结构趋向于石墨时，微孔孔容逐渐减小，煤吸附甲烷能力不断减弱。但在煤微晶结构对甲烷吸附能力演化机制等方面认识尚不够深入，这也制约着深部煤层气的开采以及矿井瓦斯治理。
发明内容
鉴于此，本发明公开了一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，充分利用相关测试数据，对煤层甲烷吸附性能影响机理进行研究，从而为煤层气开发提供技术支持，对矿井的安全生产具有实际指导意义。
根据本发明的目的提出的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，包括以下步骤：
步骤一：采集多种不同区域高瓦斯含量的煤样和低瓦斯含量的煤样，分别破碎、研磨筛分，得到60目和300目的高瓦斯含量的煤样以及60目和300目的低瓦斯含量的煤样，并标记。
步骤二：对采集的所有煤样均进行不同温度梯度的热模拟实验；热模拟过程中，先通入氮气进行抽真空处理，抽真空完毕后，加热炉内持续通入惰性气体，保障煤样不被氧化。
步骤三：在每一温度下的热模拟实验结束后，选取300目的煤样，采用X射线衍射仪对其微晶结构特征进行测试，得到不同煤样不同热解温度下的XRD谱线图。
步骤四：煤中有机质为微晶结构，其谱峰较宽，主要可分为002峰与100峰，分别位于20°-30°和40°-50°，找到其中002峰和100峰的碳峰晶面，对两个碳峰附近进行分峰，并对单峰光滑和拟合。
步骤五：计算芳香碳层002面面网间距d002、芳香碳层延展度La、芳香层堆砌度Lc、芳香片层数Nave以及石墨化度g，通过以下公式对XRD测试结果进行表征：
其中，θ002、θ100分别为002峰与100峰的中心位置；λ是X射线波长；β002和β100分别为002峰与100峰的半峰宽；a1为完全无序状态下的芳香层间距；对于煤结构，取0.3975nm；a2为石墨晶体结构的层间距，取0.3354nm。
步骤六：在每一热解温度下的热解实验结束后，再选取60目的煤样，在常压状态下，使用高压气体吸附分析仪对煤样热解后等温吸附的规律变化进行测试分析，并记录每种煤样在不同热解温度下Langmuir吸附常数a的变化规律。
步骤七：建立微晶结构参数值与甲烷吸附能力Langmuir吸附常数a的相关性线性回归方程，比较不同煤样的上述微晶结构参数值与甲烷吸附能力相关性的高低，从大分子层面对煤样吸附甲烷的性能进行综合分析与评价。
优选的，步骤二中，热模拟温度从室温20℃逐渐升高至50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃，共进行15组实验。
优选的，步骤二中，热模拟所采用的加热速率均为3℃/分钟，模拟温度上升至设定温度后，使炉体温度保持24小时左右，以使煤样得到充分热解。
优选的，步骤七中，建立芳香层间距、芳香层延展度、芳香层堆砌度、芳香片层数以及石墨化度与甲烷吸附能力Langmuir吸附常数a的相关性线性回归方程，比较几个参数与a值线性拟合的相关系数R2大小，R2越大说明相关性越强；选取R2大于等于0.9以上的特征参数，比较拟合性好的参数与a值相关系数K值绝对值，绝对值越大，则说明该参数对a值影响越大。
与现有技术相比，本发明公开的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法的优点是：
本发明通过构建五个微晶结构参数与甲烷吸附性能的相关性线性方程，确定煤微晶结构特征参数对甲烷吸附性能的影响情况，从微观大分子的层面实现对不同煤样甲烷吸附性能高低的分析，为煤层气勘探开发及矿井瓦斯治理提供了技术支持。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明公开的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法的流程图。
图2为原始煤样XRD图谱。
图3为原始煤样002峰分峰拟合图。
图4为芳香碳层002面面网间距d002与Langmuir a相关性函数图。
图5为芳香碳层延展度La与Langmuir a相关性函数图。
图6为芳香层堆砌度Lc与Langmuir a相关性函数图。
图7为芳香片层数Nave与Langmuir a相关性函数图。
图8为石墨化度g与Langmuir a相关性函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1-图8示出了本发明较佳的实施例，对其进行了详细的剖析。
以山西某矿某高瓦斯煤层为例：
如图1所示的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，包括以下步骤：
步骤一：采集该区域的煤样，将煤样破碎、研磨筛分至60目、300目以下，并标记。加热罐中加入100g样品，考虑到地层条件下煤层含水的情况，向加热罐中加入15ml左右水密封样品罐，并向加热罐中加入5MPa氮气进行气密性情况检测。
步骤二：对采集的煤样进行不同温度梯度的热模拟实验，热模拟温度从室温20℃逐渐升高至50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃，共进行15组实验，分别标记为1—15号煤样。热模拟过程中，先通入氮气进行抽真空处理，抽真空完毕后，加热炉内持续通入氦气，保障煤样不被氧化。热模拟所采用的加热速率均为3℃/分钟，模拟温度上升至设定温度后，使炉体温度保持24小时左右，以使煤样得到充分热解。
步骤三：在每一温度下的热模拟实验结束后，选取300目的煤样，采用X射线衍射仪对其微晶结构特征进行测试，得到了煤样不同热解温度下的XRD谱线图，如图2所示。
步骤四：煤中有机质为微晶结构，其谱峰较宽，主要可分为002峰与100峰，分别位于20°-30°和40°-50°。找到其中002峰和100峰的碳峰晶面，利用JADE6.0软件对两个碳峰附近进行分峰，并对单峰光滑和拟合，原始煤样002峰分峰拟合图谱如图3所示。
步骤五：根据Bragges和Scherrer公式计算芳香碳层002面面网间距d002、芳香碳层延展度La、芳香层堆砌度Lc、芳香片层数Nave以及石墨化度g，通过以下公式对XRD测试结果进行表征：
其中，θ002、θ100分别为002峰与100峰的中心位置；λ是X射线波长；β002和β100分别为002峰与100峰的半峰宽；a1为完全无序状态下的芳香层间距；对于煤结构，取0.3975nm；a2为石墨晶体结构的层间距，取0.3354nm。通过公式计算得到表1数据：
表1试验煤样微晶结构特征参数
步骤六：在每一热解温度下的热解实验结束后，再选取60目不同热解温度下的煤样，在常压状态下，使用高压气体吸附分析仪对煤样热解后等温吸附的规律变化进行测试分析，并记录每种煤样在不同热解温度下Langmuir吸附常数a的变化规律，如表2所示。
表2试验煤样a值测试结果
步骤七：建立芳香层间距、芳香层延展度、芳香层堆砌度、芳香片层数以及石墨化度与甲烷吸附能力Langmuir吸附常数a的相关性线性回归方程，比较几个参数与a值线性拟合的相关系数R2大小，以筛选出五种参数中哪些和甲烷吸附性能有关，R2越大说明相关性越强。选取R2大于等于0.9以上的特征参数，比较拟合性好的参数与a值相关系数K值绝对值，以比较出选出的参数中对甲烷吸附性能影响大小顺序，绝对值越大，则说明该参数对a值影响越大。
图4-图8为试验煤样五种微晶结构参数与Langmuir吸附常数a之间线性关系函数图；表3为五种参数与a值拟合后R2以及K值绝对值。
表3微晶结构参数与a值拟合的R2以及K值结果
比较发现芳香层间距、芳香层延展度、芳香片层数以及石墨化度的R2＞0.9，因此认为这四种参数最影响该煤吸附甲烷的性能。四者的K值绝对值大小顺序为：芳香片层数＞石墨化度＞富芳香层延展度＞芳香层间距，因此认为在影响该煤样吸附甲烷性能上，芳香片层数影响作用＞石墨化度＞富芳香层延展度＞芳香层间距。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采集多种不同区域高瓦斯含量的煤样和低瓦斯含量的煤样，分别破碎、研磨筛分，得到60目和300目的高瓦斯含量的煤样以及60目和300目的低瓦斯含量的煤样，并标记；
步骤二：对采集的所有煤样均进行不同温度梯度的热模拟实验；热模拟过程中，先通入氮气进行抽真空处理，抽真空完毕后，加热炉内持续通入惰性气体，保障煤样不被氧化；
步骤三：在每一温度下的热模拟实验结束后，选取300目的煤样，采用X射线衍射仪对其微晶结构特征进行测试，得到不同煤样不同热解温度下的XRD谱线图；
步骤四：煤中有机质为微晶结构，其谱峰较宽，主要可分为002峰与100峰，分别位于20°-30°和40°-50°，找到其中002峰和100峰的碳峰晶面，对两个碳峰附近进行分峰，并对单峰光滑和拟合；
步骤五：计算芳香碳层002面面网间距d002、芳香碳层延展度La、芳香层堆砌度Lc、芳香片层数Nave以及石墨化度g，通过以下公式对XRD测试结果进行表征：
其中，θ002、θ100分别为002峰与100峰的中心位置；λ是X射线波长；β002和β100分别为002峰与100峰的半峰宽；a1为完全无序状态下的芳香层间距；对于煤结构，取0.3975nm；a2为石墨晶体结构的层间距，取0.3354nm；
步骤六：在每一热解温度下的热解实验结束后，再选取60目的煤样，在常压状态下，使用高压气体吸附分析仪对煤样热解后等温吸附的规律变化进行测试分析，并记录每种煤样在不同热解温度下Langmuir吸附常数a的变化规律；
步骤七：建立微晶结构参数值与甲烷吸附能力Langmuir吸附常数a的相关性线性回归方程，比较不同煤样的上述微晶结构参数值与甲烷吸附能力相关性的高低，从大分子层面对煤样吸附甲烷的性能进行综合分析与评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，其特征在于，步骤二中，热模拟温度从室温20℃逐渐升高至50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃，共进行15组实验。
3.根据权利要求2所述的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，其特征在于，步骤二中，热模拟所采用的加热速率均为3℃/分钟，模拟温度上升至设定温度后，使炉体温度保持24小时左右，以使煤样得到充分热解。
4.根据权利要求1所述的一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，其特征在于，步骤七中，建立芳香层间距、芳香层延展度、芳香层堆砌度、芳香片层数以及石墨化度与甲烷吸附能力Langmuir吸附常数a的相关性线性回归方程，比较几个参数与a值线性拟合的相关系数R2大小，R2越大说明相关性越强；选取R2大于等于0.9以上的特征参数，比较拟合性好的参数与a值相关系数K值绝对值，绝对值越大，则说明该参数对a值影响越大。
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